松辽盆地东北缘晚白垩世含铀地层对比及其深部找矿意义

郭强，邢作昌，秦明宽，贾立城，罗敏，李研，张航

（1.核工业北京地质研究院 中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029；2.核工业二四〇研究所，辽宁 沈阳 110032）

松辽盆地作为我国北方砂岩型铀矿勘查的重要盆地之一［1-2］，目前的找矿突破主要集中在盆地西南部，已发现了钱家店、宝龙山、海力锦等一大批大中型矿床［3-6］。盆地北部自2000年以来已投入了较大的工作量，虽然在大庆长垣南段的肇源地区四方台组有一定进展［7-8］，但整体而言，目前仍未有重大的找矿突破。

地层对比作为沉积学及沉积矿产研究的一门基础工作［9］，其对盆地结构解剖、不同沉积期的沉积相分析、沉积型矿产的时空定位具有基础性的重要作用［10-12］。虽然前人在松辽盆地已大量开展了工作，但绝大多数研究集中在盆地中心的油田勘探区［13-14］，而针对盆缘尤其是东北缘铀矿勘查区的研究相对薄弱［15］。目前区内含铀地层对比方案，存在姚家组岩性组合与古气候特征［16］不对应、铀矿钻孔与石油钻孔分层差别大、铀矿钻孔和石油钻孔对比困难等实际问题，表明松辽盆地东北缘铀矿勘查区内的地层对比工作具有进一步完善的空间。

本次研究利用松辽盆地东北部最新的钻孔资料，通过野外岩心观察结合室内综合分析，总结研究区内的地层划分标志，在单井-连井对比格架的基础上，建立了松辽盆地东北部盆缘含铀地层对比方案；并结合砂岩型铀成矿理论，探讨了其对盆地东北缘砂岩型铀矿深部找矿工作的指导意义。

1 区域地质背景

松辽盆地可分出西南隆起区、东南隆起区、西部斜坡区、北部倾没区、中央坳陷区及东北隆起区等六大构造单元［17-18］，研究区位于盆地东北侧的东北隆起区和北部倾没区之间（图1）。从构造演化上看，松辽盆地经历了早中侏罗世热隆张裂期（前裂谷期）、晚侏罗世-早白垩世初期的伸展断陷期（裂谷期）、晚白垩世早中期的沉降坳陷期（后裂谷期）及晚白垩世幕式构造反转期（抬升萎缩期）四大阶段［19］，对应沉积了泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组等晚白垩世地层、古近纪泰康组、新近纪依安-大安组及第四系［20］。其中青山口组一段和嫩江组二段在全盆为厚层富含介形虫、叶肢介化石的深灰色、灰黑色泥质沉积［17，21］，为盆地重要的烃源岩层［22］，可作为全区内明显的区域地层划分对比标志层。

图1 研究区位置图及地质简图Fig.1 Location and geological map of the study are

2 地层划分方案

之前研究区内的含铀地层划分存在以下问题：1）盆缘铀矿钻孔揭露的姚家组整体以灰色泥岩、砂岩夹薄层红色泥岩构成的岩性组合为主，而盆地中心松科1井姚家组以红色岩性组合占优［16］，结合盆地姚家组沉积期干旱的古气候特征［16，23］，区内原先划分的姚家组的建造特征与实际的古气候特征不太相符；2）嫩江组一段与姚家组的界线争议较大，造成连井剖面上姚家组厚度差异大，姚家组、青山口组等多个地层厚度存在多处不协调的客观事实；3）盆内铀矿钻孔分层与石油钻孔分层差异较大，这使得核工业系统的钻孔与石油系统的钻孔存在较大差异，不利于资料的统一使用。这些问题使得区内之前的地层划分方案的合理性遭到质疑。本次研究通过对研究区对比标志层、典型钻孔分析、连井地层对比等系统工作，重新确定了松辽盆地东北缘的地层对比方案，合理地解决了上述问题。

2.1 地层对比标志

松辽盆地全盆存在青山口组一段、嫩江组二段两个重要的湖盆扩张期［17］，对应形成两套全盆广布的黑色泥岩化石层（两套烃源岩发育段），这已被多年的石油勘探工作所证实［17，20-22］。而区内最新钻孔揭露了三套黑色含化石泥岩层（图2）。这个勘探新进展引发了对含介形虫-叶肢介化石黑色泥岩层标志层层位归属定位的重新思考。通过野外对多个钻孔的系统编录，认识到嫩江组一段底部同样存在类似与青山口组一段、嫩江组二段富含介形虫-叶肢介的黑色泥岩层（图2），其可作为嫩江组一段与姚家组客观的分界标志。在此新认识的基础上，结合岩性编录、测井曲线、沉积相的综合分析，对研究区内的地层进行了重新对比。

图2 松辽盆地东北缘典型钻孔沉积学特征Fig.2 Sedimentary characteristics of typical boreholes cores in northeastern Songliao Basin

通过典型钻孔的精细编录及岩心观察，本文重点依据岩性（岩性组合）、岩石颜色（古气候）、古生物化石、沉积相（体系域演化）4 个方面的特征，总结了松辽盆地东北缘晚白垩世含铀地层的五大地层划分标志（表1），自底到顶分别为：①青山口组一段暗色含介形虫-叶肢介化石泥岩标志层——区域标志层，该标志层厚20～50 m，其与下伏泉头组砂岩突变接触，向上多向灰绿色泥岩、粉砂岩过渡；②姚家组底部冲刷面——局部标志层，冲刷面之上见分选差的多个不规则灰绿色泥砾（图2s），向上渐变为红色泛滥平原泥岩沉积，红色泛滥平原泥岩多见灰白色、白色钙质结核；③嫩江组一段底部暗色泥岩标志层——局部标志层，其特征与青山口组一段暗色泥岩标志层类似，以中厚层灰黑色、灰色泥岩为主，富含介形虫、叶肢介化石，局部页理发育；④嫩江组一段中上部红色泥岩标志层——局部标志层，该标志层中的红色泥岩以前多被认为是姚家组蚀变的标志，本研究发现其下发育滑塌变形等重力流沉积构造（图2j～k），其代表的远源沉积与区内姚家组整体的近源特征不相符，故本研究将其作为嫩一段中上部的识别标志（图2）；⑤嫩江组二段黑色、灰黑色含介形虫泥（页）岩标志层——区域标志层，其厚度为80～260 m，以巨厚层泥岩、页岩层为主，富含介形虫、叶肢介化石。其中最顶部⑤、最底部①两套含化石泥岩是盆地级的地层对比标志层，其作为松辽盆地主要的烃源岩层［22］，是全盆内两次最大湖侵的最直接证据［17，24-25］；而中间3 个是本研究提出的地层对比新标志层。与之前对比方案的明显不同的是，本研究首次识别出了三套含化石泥岩层，即青山口组黑色含化石泥岩层、嫩江组一段底部含化石泥岩层、嫩江组二段含化石泥岩层，其中嫩一段底部暗色泥岩标志层的提出是新认识；分析前人简单地利用两套黑色泥岩标志层划分地层，未关注到中间存在的嫩江组一段黑色泥岩标志层，是研究区内前人地层对比方案存在问题的重要原因。五大地层标志层的总结，为野外地质工作现场地层分层提供了客观、易操作的地质依据。

表1 松辽盆地东北缘上白垩统地层对比标志层一览表Table 1 Stratigraphic correlation markers of Upper Cretaceous in northeastern Songliao Basin

2.2 典型钻孔分析

根据区内总结的五大地层对比标志（表1），本研究对区内铀矿钻孔的层位进行了重新划分（图2）。

典型钻孔的层位划分表明，泉头组底部为厚层红色砂砾岩的冲积扇沉积，向上过渡为厚层的中粗砂岩的辫状河沉积。青山口一段以厚层灰黑色、灰色泥岩、页岩为主，富含介形虫、叶肢介、介壳类化石碎片，局部见完整贝壳类化石；青山口组二三段以浅湖、半深湖沉积相为主，可见代表半深湖典型的Zoophys 遗迹相（图2w），亦可见脉状、透镜状层理等潮汐层理（图2v），最为特征的是灰黑色泥岩中见富含双翘类、腹足类等介壳碎片富集的结核（图2u），其可作为青山口组典型的标志层。向上姚家组为“灰泥红砂”沉积建造，表现出明显的二元结构，即底部由斜层理、槽状交错层理砂体构成的粗粒沉积（箱型测井曲线）、顶部由砖红色洪泛泥岩构成；需要注意的是，洪泛泥岩中可见白色钙质结核（图2p），而钙质结核的形成与干旱气候密切相关［9］，证实了姚家组炎热干旱的古气候背景。需要注意是，目前钻孔揭示的河道具有单个河道和叠置河道两种样式，前者在姚家组底部最为明显，而后者出现在姚家组中上部。嫩江组一段较其下泉头组、青山口组、姚家组更厚，超过200 m 厚；其内部以三角洲和浊积相充填为主。三角洲前缘特征明显，可见明显的含炭屑纹层细砂岩（水下分流河道，图2g）、逆粒序（河口坝沉积，图2h）、重力流滑塌（前三角洲，图2j、k）等特征；而浊积扇砂岩表现出底部明显的底砾岩，向上变为数米厚的纯净粗砂岩，且其顶底均已深湖相限制。嫩江组二段以极厚层灰黑色含化石泥岩为标志（图2a）。嫩江组三、四段以三角洲沉积为主，因剥蚀严重，残留厚度有限。

自底到顶，显示泉头组冲积扇-辫状河相、青山口组深湖-半深湖-三角洲相、姚家组曲流河相、嫩江组一段深湖-半深湖-三角洲相、嫩江组二段深湖相、嫩江组三四段三角洲相的垂向沉积相变化，反映两个大的湖退-湖侵的沉积旋回，与全盆的沉积演化基本一致［9］，表明区内地层划分基本正确。

2.3 地层对比格架

依据地层对比标志，在单孔地层划分及沉积相研究的基础上，通过区内骨架剖面的连井对比，显示区内姚家组以红杂色岩性组合为主，与姚家组沉积期整体干旱的古气候大体吻合特征［16，23］，且主要沉积层的铀矿钻孔和石油钻孔的地层厚度协调性好（图3、4），表明本次研究提出的地层对比标志在研究内普遍适用。

图3 松辽盆地东北部北东向地层格架（拉平嫩二段底界面）Fig.3 NE stratigraphic framework by flattened the bottom boundary of K2n2，northeastern Songliao Basin

北东向地层对比剖面显示了研究区现今跨越东北隆起区海伦隆起—北部倾没区乾元隆起—中央坳陷区明水阶地3 个构造单元、由盆缘到盆地中心的晚白垩世地层结构（图3）：1）盆缘单斜隆起区，仅嫩三四段、嫩二段、嫩一段在盆缘呈角度不整合与上伏第四系接触，其下主要找矿目的层姚家组等地层均被嫩江组泥岩强烈超覆；2）中西部背斜隆起区背斜轴不隆起遭受剥蚀，使得嫩三四段、嫩二段、四方台组、明水组顶部地层遭受剥蚀进而形成含铀含氧水的渗入窗口，重要探索目的层姚家组之上地层仍被厚层嫩二段泥岩超覆。从剖面特征显示的地层特征来看（图3），嫩江末以来的新生代构造隆升强度不足以将全部的嫩江组泥岩剥掉（嫩江组残留厚度最薄处仍有120 m），造成姚家组之下的主要找矿目的层被强烈超覆。为了摸清姚家组、青山口组、泉头组的地层叠置样式，本次研究采用拉平最大水进面的方法恢复嫩二段沉积前的古地理（图3）：自底到顶，泉头组、青山口组向盆缘楔形减薄、上超于盆地基底之上，而其上的姚家组、嫩一段沉积范围较大；从地层厚度上看，嫩一段最厚。就砂体条件来看，盆缘井的姚家组砂体厚度变化大且不稳定，反而中部（S53-S13-S44，背斜西翼）砂体厚度较大。结合单井分析，推测东侧发育的河道规模较小，且以单河道为主；西翼河道规模较大，可能为复合河道。就砂岩型铀矿的成矿条件来看，姚家组无渗入窗口是最不利的成矿条件，在勘探中需要注意此地质风险；而青山口组、泉头组除盆缘少数钻孔有所揭露外，绝大多数钻孔并未揭露，结合青山口组顶部存在区域不整合界面［26］，其可能在盆缘形成含铀含氧水渗入窗口，加之其砂体条件良好，青山口组、泉头组仍有找矿潜力，故建议其作为找矿新层位来进一步探索。

北西向跨北部倾没区—乾元隆起—东北隆起区海伦隆起的连井剖面（图4，以钻孔S53与图3），整体呈构造单斜形态，泉头组、青山口组、姚家组、嫩一段、嫩二段、嫩三四段、四方台组自底到顶依次向盆内不断推进。剖面显示嫩一段底部黑色泥岩标志层，晚白垩世地层厚度协调较好，表明新的地层对比方案较为合理。其地层结构与图3 展示的特征类似，仅四方台组、嫩三四段、嫩二段具有渗入窗口。考虑到盆缘青山口组砂体发育，盆内砂体可能不发育，其在盆地方向的标志应该更加明显，但目前盆地并未有钻孔控制，故其界线需要进一步跟踪研究。图4 表明，姚家组中下部砂体条件良好，且周边钻孔（S53）中见褐黄色泥岩，在合适的条件下具备层间氧化的可能。另外，从地层厚度上看，青山口组、姚家组、嫩一段具有相隆起楔形减薄的趋势，而泉头组则呈跷跷板形态。需要注意的是，剖面显示了海伦北部一个隐伏隆起（图4），且目前钻孔的数据显示其为花岗岩隆起，考虑到泉头组、青山口组、姚家组直覆盖在该隆起之上，其对铀成矿的影响需要做专题进行讨论。

图4 松辽盆地东北部北西向地层格架（拉平嫩二段底界面）Fig.4 Stratigraphic framework of NW strike K2n2 by flattening the bottom boundary，northeastern Songliao Basin

2.4 地层对比新方案

在典型钻孔精细分析、地层标志层总结及单井-连井地层格架等实际工作的基础上，本次研究建立了松辽盆地东北部含铀地层划分方案（图5）。该方案较前人方案，具有以下优势：1）明确提出了松辽盆地东北部上白垩统存在3 套黑灰色含介形虫-叶肢介泥岩层，自底到顶分别为青一段标区域志层、嫩一段局部标志层、嫩二段区域标志层；2）新方案中姚家组以红泥灰砂为主（局部出现红泥红砂），其岩性组合代表的干旱古气候特征与全盆的古气候特征基本吻合；3）新方案中晚白垩世地层的厚度协调性好，有效地解决了之前方案厚度不协调的问题，进而搭建了区内铀矿钻孔和石油钻孔可对比的桥梁。

图5 松辽盆地东北缘含铀地层对比方案Fig.5 Stratigraphic correlation proposal of the uranium bearing strata in northeastern Songliao Basin

3 找矿意义

3.1 后生改造较弱的地质解释

松辽盆地东北部砂岩型铀矿的勘查实践表明，区内主要找矿层位的后生改造普遍较弱或者普遍缺乏后生改造：如姚家组多显示红泥灰砂的原生氧化，青山口组以灰色建造为主，泉头组的砂岩亦多呈灰色（图4）；个别地区发现的氧化砂岩其颜色以灰黄色为主，且厚度极薄（0.1～0.3 m），氧化强度及氧化规模都非常有限。

从新方案指导下的地层对比表明，研究区主要找矿目的层（姚家组、青山口组、泉头组）被嫩江组强烈超覆（图6）。区内嫩江组以嫩二段、嫩一段分布最为广泛，对后生改造的影响最大。嫩二段泥岩厚（80～200 m）且分布范围广；嫩一段虽然局部砂岩较发育，但整体呈透镜状，且分布局限。嫩江组整体表现出巨厚层细粒沉积特征（地层厚度为280～550 m），这种巨厚的强超覆地质结构，使得晚白垩世末期的构造隆升不足以将全部嫩江组剥掉，从而造成主要找矿目的层无法接受新生代含铀含氧水的改造，这可能是区内超覆层之下地层后生改造较弱的主要原因。

3.2 砂岩型铀矿深部找矿意义

之前的地层对比方案显示，研究区目前施工的钻孔已经钻遇了晚白垩世的全部地层，揭露地层中并无大的找矿发现。新方案指导下的地层对比方案将之前嫩江组一段之下的地层层位整体下调，造成新方案指导下的主要含矿层位的深度加大。其精细的地层对比表明，目前研究区内的绝大多数的钻孔仅钻穿了姚家组之上的上白垩统，其下的青山口组、泉头组仅盆缘的少数钻孔有所揭露（图3），尤其是深部的泉头组，目前钻穿的钻孔少之又少。松辽盆地东北缘泉头组、青山口组等深部目标层位的揭露不足的勘查现状表明，青山口组、泉头组可作为盆地北部深部寻找古矿的新层位加以探索。

通过盆地构造演化史的梳理，在岩心精细观察的基础上，通过连井对比确定青山口组与姚家组之前存在一个区域不整合界面［26］（88.5～85.8 Ma），该不整合界面代表不小于2.7 Ma 的沉积间断［15］，对应缺失姚家组底部和部分青山口组。在盆内局部古隆起附近，该不整合面表现出姚家组直接覆盖在泉头组之上，其间缺失青山口组沉积（图6）。考虑到青山口组的沉积时限（91.4～86.16 Ma［13］），这个区域不整合代表的沉积间断可能超过5.6 Ma，且其横向延伸超过10 km，这个延续时间相对长、分布规模相对大的不整合暴露使得泉头组在古隆起边缘具备了含铀含氧水渗入的可能性。加之盆缘个别钻遇泉头组的钻孔显示其具有良好的辫状河砂体，且其顶底具有稳定的隔水层（青一段泥岩、基底），构成稳定的泥-沙-泥结构，基本上具备了地质历史时期发育大型层间氧化的可能性。

图6 松辽盆地东北缘地层结构与沉积充填［15］Fig.6 Stratigraphic construction and sedimentary deposits in northeastern Songliao Basin

幸运的是，在通过新方案指导下的地层对比结合岩心观察发现，泉头组在古隆起附近存在明显的后生氧化蚀变分带（图7），即近盆缘方向强氧化带内的中粗砂岩、砂砾岩中发育明显的褐铁矿化后生蚀变，强氧化带前端内见明显的高岭土化蚀变（图8）。该氧化带平面展布超过40 km，规模相对较大。根据砂岩型铀矿成矿理论，推测其前方的氧化还原过渡带内可能具有工业铀矿体的存在，推测矿体埋深在750～900 m 之间。该发现为泉头组的深部找矿注入了信心。

图7 松辽盆地东北缘深部泉头组氧化带及推测矿体Fig.7 Oxidation zone and inferred ore body of Quantou Formation，northeastern Songliao Basin

图8 松辽盆地东北缘深部泉头组后生氧化蚀变分带Fig.8 Epigenetic oxidation alteration zoning of Quantou Formation，northeastern Songliao Basin

4 结论

通过地层划分标志总结、单井-连井地层-沉积相分析等工作，建立了松辽盆地东北缘晚白垩世含铀地层对比新方案。该方案可为区内砂岩型铀矿的地层对比提供快速、准确、客观的依据。相较于旧方案，新方案具有以下优点：理清了嫩一段与姚家组直接的地层边界；新方案中重要沉积期岩性组合与古气候对应良好；新方案有效解决了之前方案厚度不协调的问题，进而搭建了铀矿钻孔与深部石油孔的对比桥梁。

松辽盆地东北部晚白垩世含铀地层对比方案的构建对研究区深部找矿具有重要的实践意义：1）其明确了区内的强超覆背景，直接解释了盆地北部嫩江组下部地层后生改造较弱的铀矿地质问题，指出辽盆地东北的找矿方向调整为“力争寻找强超覆层之下的古矿”；2）新方案指导下的地层对比发现，区内目前姚家组以上地层揭露较好，其下地层控制程度低，据此建议青山口组、泉头组可作为找矿新层位加以探索；3）发现了盆地北部的深部找矿线索，即古隆起附近泉头组氧化蚀变分带前端可能存在古矿体，盆地东北部的深部找矿应以泉头组为主，找铀区域聚焦于古隆起边部。